Remote sensing of cloud properties and their effects on shortwave radiation

Abstract

As nuvens são os principais reguladores da quantidade de radiação solar que atinge a superfície terrestre, e esta quantidade de radiação depende das suas propriedades tais como o raio efetivo e a espessura ótica. Por outro lado, as propriedades das nuvens podem sofrer alterações devido a variações nas quantidades de aerossóis levando a alterações dos efeitos radiativos das nuvens. Deste modo, o trabalho desenvolvido nesta tese visa o estudo dos efeitos radiativos das nuvens na radiação solar à superfície, e a determinação das propriedades das nuvens e das interações aerossol-nuvem utilizando diferentes métodos de deteção remota. A variabilidade sazonal dos valores médios diários dos efeitos radiativos das nuvens na radiação solar foi analisada para sete anos (2003 – 2010) de dados medidos em Évora, tendo sido encontrada uma maior variabilidade durante a primavera quando a variabilidade dos períodos de nuvens é também maior. Para o mesmo período (2003 – 2010), a espessura ótica das nuvens de água líquida foi determinada a partir de medições feitas à superfície, e foi relacionada com os efeitos radiativos correspondentes. Posteriormente, estabeleceu-se um método para determinar a espessura ótica e o raio efetivo das nuvens, baseado em reflectâncias medidas pelo SEVIRI no visível e no infravermelho próximo. As propriedades das nuvens obtidas a partir do SEVIRI sobre a região de Évora foram também relacionadas com os efeitos radiativos das nuvens à superfície para o ano 2015, e para um caso de estudo de eventos de efeitos radiativos positivos das nuvens na radiação solar. Finalmente, foi aplicado um método baseado em medições de Lidar para determinar a espessura ótica das nuvens, a qual foi utilizada para estimar a concentração de gotículas de nuvem e o raio efetivo. Estas propriedades das nuvens foram usadas para avaliar as interações aerossol-nuvem de nuvens de água líquida não precipitantes nos Açores; SUMMARY: Clouds are the main controllers of the amount of solar radiation that reaches the Earth’s surface, and this amount of radiation depends on cloud properties such as the cloud effective radius and the cloud optical thickness. On the other hand, cloud properties may change due to changes in aerosol amounts leading to changes in cloud radiative effects. Thus, the work developed in this thesis aims to study the shortwave cloud radiative effects at the surface, and to determine the cloud properties and the aerosol-cloud interactions using different remote sensing methods. The seasonal variability of the daily-mean shortwave cloud radiative effects was analysed for seven years (2003 – 2010) of measured data in Évora, and a greater variability of the radiative effects was found for springtime when the variability of cloud periods is larger. For the same period (2003 – 2010), the cloud optical thickness was retrieved from ground-based measurements and it was related to the corresponding cloud radiative effects. After, a method to retrieve the cloud thickness depth and the effective radius was established using SEVIRI measured reflectances at visible and near infrared wavelengths. The satellite retrievals over Évora region were also related to the shortwave cloud radiative effects for year 2015, and for a case study with events of positive shortwave cloud radiative effects. Finally, a method based on Lidar signals was applied to retrieve the cloud optical thickness, which was used to estimate the cloud droplet number concentration and the effective radius. These cloud properties were used to evaluate the aerosol-cloud interactions of non-precipitating water clouds over Azores.